DE19908728C2

DE19908728C2 - Method for determining the coordinates of the geographic location of a mobile GSM terminal

Info

Publication number: DE19908728C2
Application number: DE1999108728
Authority: DE
Inventors: Bernd Becker
Original assignee: MAZ MIKROELEKTRONIK ANWENDUNGS
Current assignee: MAZ MIKROELEKTRONIK ANWENDUNGS
Priority date: 1999-03-01
Filing date: 1999-03-01
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2019-03-02
Also published as: EP1033583A2; DE19908728A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Koordinaten des geographischen Ortes eines mobilen GSM- Endgerätes (MS), indem die vom Abstand des Endgerätes zur Basisstation abhängigen Signallaufzeiten eingesetzt werden, um aus den ermittelten Signallaufzeiten für mindestens zwei - bei Rundstrahlern mindestens drei - dem Endgerät benachbarte Basisstationen die Abstandsradien mit den zugehörigen Toleranzen und deren gemeinsamen Schnittpunktsbereich als geographischen Ort des Endgerätes zu bestimmen.The invention relates to a method for determination the coordinates of the geographic location of a mobile GSM Terminal (MS) by the distance from the terminal to Base station dependent signal propagation times are used, order from the determined signal propagation times for at least two - with omnidirectional radiators at least three - the end device neighboring base stations with the distance radii associated tolerances and their common Intersection area as the geographic location of the end device to determine.

Ein derartiges Verfahren zum Bestimmen der Koordinaten des geographischen Ortes eines mobilen Endgerätes ist bekannt (CAFFERY, J. Jr.: STÜBER, G. L.: Subscriber Locations in CDMA Cellular Networks. In: IEEE Transaction on Vehicular Technology, Vol. 47, No. 2, 1998, S. 406-416).Such a method for determining the coordinates of the geographic location of a mobile device is known (CAFFERY, J. Jr .: STÜBER, G. L .: Subscriber Locations in CDMA Cellular Networks. In: IEEE Transaction on Vehicular Technology, Vol. 47, No. 2, 1998, pp. 406-416).

Dabei erfolgt die Ortsbestimmung derart, daß die vom Abstand des Endgerätes zur Basisstation abhängigen Signallaufzeiten eingesetzt werden, um aus den ermittelten Signallaufzeiten zumindest drei dem Endgerät benachbarte Basisstationen die Abstandsradien mit den zugehörigen Toleranzen und deren gemeinsamen Schnittpunkten als geographischen Ort des Endgerätes zu bestimmen.The location is determined such that the distance of the terminal to the base station dependent signal propagation times can be used to determine the signal propagation times at least three base stations adjacent to the terminal Distance radii with the associated tolerances and their common intersections as the geographical location of the To determine the terminal.

Bevor auf die vorliegende Erfindung näher eingegangen wird, werden die verwendeten Abkürzungen und Begriffe definiert.
GSM: Global System for Mobile communication
MS: Mobile Station - mobiles GSM Endgerät
BS: Base Station - Basisstation im GSM Netz
GSM 03.22, GSM 05.08, GSM 05.10: Technische Spezifikation für das GSM Netz der ETSI
ETSI: European Telecommunications Standards Institute, 650 Route des Lucioles, Sophia Antipolis, Valbonne, France
Zeitmultiplex: Verfahren, um mehrere Übertragungskanäle auf einer Trägerfrequenz abzubilden. Hierzu werden im festen Zeitraster die Kanäle hintereinander übertragen
Zeitschlitz: Zeitfenster für einen Kanal beim Zeitmultiplexverfahren
TA: Timing Advance - GSM interner Parameter, um Signallaufzeiten, die sich durch unterschiedliche Abstände vom MS und BS ergeben, zu kompensieren
Uplink: Datenübertragungsverbindung von MS zu BS
Downlink: Datenübertragungsverbindung von BS zu MS
BCCH: Braodcast Control Channel - Identifikations- und Synchronisierungskanal einer Basisstation
c = 300 000 km/s: Lichtgeschwindigkeit.Before the present invention is discussed in more detail, the abbreviations and terms used are defined.
GSM: Global System for Mobile communication
MS: Mobile Station - mobile GSM device
BS: Base station - base station in the GSM network
GSM 03.22, GSM 05.08, GSM 05.10: Technical specification for the GSM network of ETSI
ETSI: European Telecommunications Standards Institute, 650 Route des Lucioles, Sophia Antipolis, Valbonne, France
Time division multiplex: Method to map several transmission channels on one carrier frequency. For this purpose, the channels are transmitted one after the other in a fixed time grid
Time slot: Time window for a channel in time division multiplexing
TA: Timing Advance - GSM internal parameters to compensate for signal delays caused by different distances from the MS and BS
Uplink: data transmission connection from MS to BS
Downlink: data transmission connection from BS to MS
BCCH: Braodcast Control Channel - identification and synchronization channel of a base station
c = 300,000 km / s: speed of light.

Im GSM-Netz werden Daten im Zeitmultiplexverfahren übertragen. Hierbei muß gewährleistet werden, daß Uplink- Daten (von MS zu BS) in drei Zeitschlitzen (468,75 Bitlängen, GSM 05.10, Kapitel 6.4) nach Senden der Downlink- Daten von der BS empfangen werden. Je nach Abstand von MS zu BS entstehen unterschiedliche Signallaufzeiten in der Luftstrecke. Um diese Laufzeiten auszugleichen, muß die MS den Sendezeitpunkt des Uplink-Signals einstellen. Hierzu mißt die BS die Zeit zwischen gesendeten und empfangenen Daten und teilt die Abweichung zu den vorgeschriebenen drei Zeitschlitzen der MS in bestimmten Stufen mit. Eine Stufe entspricht der Laufzeit einer Bitperiode (48/13 µs, siehe GSM 05.10, Anhang A.1.1). Es sind 64 solcher Stufen vorgesehen, die der MS als Systemparameter Timing Advance (TA) übermittelt werden. TA kann Werte zwischen 0 und 63 annehmen. Eine Veränderung von TA um 1 entspricht einer Abstandsänderung d zwischen MS und BS um etwa 554 m. Dieser Wert ergibt sich aus folgender Formel:
In the GSM network, data is transmitted using time division multiplexing. Here it must be ensured that uplink data (from MS to BS) are received by the BS in three time slots (468.75 bit lengths, GSM 05.10, Chapter 6.4) after sending the downlink data. Depending on the distance from MS to BS, different signal delays occur in the air gap. In order to compensate for these transit times, the MS has to set the transmission time of the uplink signal. For this purpose, the BS measures the time between sent and received data and reports the deviation from the prescribed three time slots to the MS in certain stages. One level corresponds to the running time of a bit period (48/13 µs, see GSM 05.10, Appendix A.1.1). 64 such stages are provided, which are transmitted to the MS as the timing advance (TA) system parameter. TA can take values between 0 and 63. A change in TA by 1 corresponds to a change in distance d between MS and BS of approximately 554 m. This value results from the following formula:

Man kann den Wert TA zur Abstandsbestimmung zwischen einer MS und der BS nutzen. Laut GSM 05.10, Kapitel 6.10 darf eine MS eine Abweichung von ± 1 Bitperiode gegenüber der Sollverzögerung zwischen Empfangs- und Sendesignal haben. Der Abstand D der MS zur BS ergibt sich dann zu:
The value TA can be used to determine the distance between an MS and the BS. According to GSM 05.10, chapter 6.10, an MS may have a deviation of ± 1 bit period compared to the target delay between the receive and transmit signals. The distance D between the MS and the BS is then:

D = TA.d - q
D = TA.d - q

mit -d ≦ q ≦ dwith -d ≦ q ≦ d

Dementsprechend ist eine Abstandsbestimmung in 554 m- Schritten mit einer Toleranz q von ± 554 m möglich.Accordingly, a distance determination in 554 m Steps with a tolerance q of ± 554 m possible.

Die Toleranz q ist durch konstruktive Maßnahmen bekannt und konstant. Dadurch besteht die Möglichkeit, den Abstand D zwischen MS und BS von 554 m zu bestimmen.The tolerance q is known through design measures and constant. This enables the distance D to be determined between MS and BS of 554 m.

Die MS kann die Uplink-Daten in Zeitschritten T_S relativ zum Sollsendezeitpunkt (drei Zeitschlitze abzüglich TA, vgl. GSM 05.10) verzögern. Hierdurch wird eine Vergrößerung der Entfernung von MS zu BS simuliert. Die Anzahl der Verzögerungsschritte wird so lange erhöht, bis die BS den Parameter TA um eins erhöht. Anhand der Anzahl dieser Schritte N_S ergibt sich als Abstand zwischen MS und BS der Wert D':
The MS can delay the uplink data in time steps T _S relative to the target transmission time (three time slots minus TA, see GSM 05.10). This simulates an increase in the distance from MS to BS. The number of delay steps is increased until the BS increases the parameter TA by one. Based on the number of these steps N _S , the distance D 'results as the distance between MS and BS:

D' = TA.d - N_S.d'
D '= TA.d - N _S .d'

mit d' = T_S.c Abstandsstufewith d '= T _S .c distance step

Wird als Zeitschritt T_S der Wert von 1/13 µs gewählt, ergibt sich als Abstandsstufe d'
If the value of 1/13 µs is selected as the time step T _S, the distance step d 'results

Somit wird eine Abstandsmessung ohne Einbeziehung der dynamischen Fehler auf 23 m genau ermöglicht.Thus, a distance measurement without the inclusion of enables dynamic errors to an accuracy of 23 m.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß dieses mit deutlich erhöhter Genauigkeit die Koordinaten des geo graphischen Ortes eines mobilen GSM-Endgerätes liefern kann.The invention has for its object a method of type mentioned so that this with the coordinates of the geo can provide graphic location of a mobile GSM terminal.

Dies wird dadurch erreicht, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Mobilstation beginnt, die zu einer ersten Basisstation ausgesendeten Signalpakete schrittweise zu verzögern, wobei diese Schritte einem Bruchteil des Timingadvancesignal-Zeitinkrements und damit einer scheinbaren Vergrößerung des Abstands zu der Basisstation entsprechen,
dass die Basisstation bei Auftreten einer bestimmten Verzö gerungszeit - wie bislang bei einer tatsächlichen Erhöhung der Entfernung Basisstation-Mobilstation den Wert des Timingadvancesignals inkrementiert an die Mobilstation ausgibt,
dass in der Mobilstation aus der Anzahl der Verzögerungs schritte und dem Wert des Timingadvancesignals die Entfernung zur Basisstation errechnet wird,
dass die Mobilstation dieses Verfahren mit mindestens einer weiteren Basisstation durchführt, und
dass die Mobilstation selbst oder die Mobilstation über einen Provider aus den ermittelten Entfernungen den Schnittbereich und damit den Ort der Mobilstation ermittelt.This is achieved in that, in a method of the type mentioned at the outset, the mobile station begins to gradually delay the signal packets transmitted to a first base station, these steps corresponding to a fraction of the timing advantage signal time increment and thus an apparent increase in the distance from the base station,
that the base station outputs the value of the timing advantage signal incrementally to the mobile station when a certain delay time occurs — as hitherto when the distance between base station and mobile station is actually increased,
that the distance to the base station is calculated in the mobile station from the number of delay steps and the value of the timing advantage signal,
that the mobile station carries out this method with at least one further base station, and
that the mobile station itself or the mobile station uses a provider to determine the intersection area and thus the location of the mobile station from the determined distances.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der einzigen Figur der Zeichnung beispielsweise erläutert.The invention is explained below with reference to the single figure of the Drawing explained for example.

Diese zeigt schematisch, wie der Ort A eines mobilen GSM- Gerätes über drei Basisstationen ermittelt wird.This shows schematically how the location A of a mobile GSM Device is determined via three base stations.

Folgende Voraussetzungen müssen gegeben sein:
The following requirements must be met:

- The MS must be in a position at its location to communicate at least three base stations.
- The location of the base stations must be known.

Durch Verwendung der Abstandswerte von drei Basisstationen BS1 bis BS3 kann der Aufenthaltsort A einer MS berechnet werden. Dieser Ort A ist Schnittpunkt bzw. Schnittbereich der Abstandsradien zwischen den drei Basisstationen und der MS.By using the distance values from three base stations The location A of an MS can be calculated from BS1 to BS3 become. This location A is the intersection or intersection area the distance radii between the three base stations and the MS.

Vorteile des beschriebenen Verfahrens sind
Advantages of the described method are

1. the usual transit time measurement between mobile stations and Base stations is used to determine the distance from the Mobile station and the base station used,
2. The actual runtime measurement is made by a artificial time delay in the mobile station manipulated,
3. The artificial time delay increases resolved as 1 bit period,
4. are no modifications by the network operator necessary,
5. known systematically constant errors of the mobile station are eliminated
6. Any number of base stations can Distance measurements are used
7. The distance measurements can be made by several base stations be used for a location.

Nachdem die vorangehend beschriebene Entfernungsermittlung abgeschlossen und die Entfernungsdaten gespeichert wurden, bucht sich die MS aus der verwendeten Basisstation aus und bucht in die nächste Basisstation nach der Liste der erreichbaren BCCH Träger ein. Daraufhin führt die MS die Entfernungsermittlung zu dieser neuen Basisstation aus. Falls weitere Abstandsmessungen erwünscht sind, wird dieser Vorgang wiederholt, das heißt, die MS bucht sich in eine weitere Basisstation ein, bis die erforderliche Anzahl der Abstandsmessungen erreicht ist. Bei diesem Verfahren ist es nicht zwingend erforderlich, daß die erste ausgewählte Basisstation die stärkste erreichbare ist. Die Reihenfolge der nacheinander ausgewählten Basisstationen ist vielmehr frei wählbar. Beispielsweise kann mit der stärksten erreichbaren Basisstation die letzte Entfernungsmessung durchgeführt werden, um dann in dieser Basisstation eingebucht zu bleiben.After the distance determination described above completed and the distance data saved, the MS books itself out of the base station used and books to the next base station according to the list of accessible BCCH carrier. The MS then leads the Distance determination to this new base station. If further distance measurements are desired, this will be Process repeated, that is, the MS books itself into one another base station until the required number of Distance measurements is reached. With this procedure it is not mandatory that the first selected Base station is the strongest reachable. The chronological order the successively selected base stations is rather freely selectable. For example, the strongest reachable base station the last distance measurement to be performed in that base station stay logged in.

Application of the method according to the invention for Location determination of an MS while determining the Frequency with which an MS is on a particular Place

Nachdem die BS den Parameter TA bestimmt und zur MS gesendet hat, wird die Zeitspanne zwischen Sende- und Empfangsdaten mit einer Abtastfrequenz _a bestimmt, die größer als _b ist. Die Differenz dieser Zeitspanne zu den vorgeschriebenen drei Zeitschlitzen ist der Parameter Δt.After the BS has determined the parameter TA and sent it to the MS, the time period between send and receive data is determined with a sampling frequency _a that is greater than _b . The difference between this time period and the prescribed three time slots is the parameter Δt.

Aus der Zeitdifferenz Δt und der Abtastfrequenz _a ergibt sich die Anzahl der Abtastungen:
The number of samples results from the time difference Δt and the sampling frequency _a :

N = Δt._a N = Δt. _a

Bei einer Abtastfrequenz _a von z. B. 13 MHz ergeben sich Abstandsstufen zwischen MS und BS von d' = 11,5 m:
At a sampling frequency _a of z. B. 13 MHz there are distance steps between MS and BS of d '= 11.5 m:

mit _a = 13 MHz Abtastfrequenzwith _a = 13 MHz sampling frequency

Nun ergibt sich als Abstand zwischen MS und BS der Wert D':
The distance D 'is now the distance between MS and BS:

D' = TA.d ± d + N.d' = D + N.d'D '= TA.d ± d + N.d' = D + N.d '

Die Toleranz von ± 554 m ist vom MS her bedingt.The tolerance of ± 554 m is due to the MS.

Die Abweichung von der Sollverzögerung zwischen Empfangs- und Sendesignal einer MS muß für diese MS konstant sein.The deviation from the target delay between reception and the transmission signal of an MS must be constant for this MS.

Nimmt eine MS über eine BS Kontakt mit einem Mobilfunknetz auf, kann beim Mobilfunknetzbetreiber die Signalverzögerung zwischen Sendesignal der BS und Empfangssignal der von der MS zur BS gesendeten Daten gespeichert werden. Diese Signalverzögerung ist abhängig vom Abstand der MS zu dieser BS. Bei folgenden Verbindungen der MS zu dieser BS kann die gemessene Signal-erzögerung mit der gespeicherten verglichen werden. Befindet sich die MS in derselben Entfernung zu dieser BS, entspricht die gemessene der gespeicherten Signalverzögerung. Für den Parameter Timing Advance (TA) ergibt sich folgender Wert:
If an MS makes contact with a mobile radio network via a BS, the signal delay between the transmission signal of the BS and the reception signal of the data sent from the MS to the BS can be stored at the mobile radio network operator. This signal delay depends on the distance between the MS and this BS. With the following connections of the MS to this BS, the measured signal delay can be compared with the stored one. If the MS is at the same distance from this BS, the measured one corresponds to the stored signal delay. The following value results for the parameter Timing Advance (TA):

Damit ergibt sich, daß bei konstantem Abstand D auch TA konstant und unabhängig von der Abweichung zur Sollverzögerung der MS ist. Damit ist das Ergebnis der Abstandsmessung auf 554 m reproduzierbar.This means that with constant distance D also TA constant and regardless of the deviation from Target deceleration of the MS is. This is the result of Distance measurement reproducible at 554 m.

Es ergibt sich der Wert für die Anzahl der Abstandsstufen:
The value for the number of spacing levels results:

N.d' + TA. = D' + k
Nd '+ TA. = D '+ k

mit D' Abstand zwischen MS und BS (in 11,5 m Schritten)
k Konstanter Fehler der Sollverzögerung der MS mit -d ≦ k ≦ +d;
d = 554 m
with D 'distance between MS and BS (in 11.5 m steps)
k Constant error of the target deceleration of the MS with -d ≦ k ≦ + d;
d = 554 m

mit _a = 13 MHz Abtastfrequenz with _a = 13 MHz sampling frequency

Damit ergibt sich, daß bei konstantem Abstand D' auch N und TA konstant und unabhängig von der Abweichung zur Sollverzögerung der MS sind. Somit ist das Ergebnis der Abstandsmessung ohne Einbeziehung der dynamischen Fehler auf 11,5 m reproduzierbar, wenn _a = 13 MHz beträgt.This means that at a constant distance D ', N and TA are constant and independent of the deviation from the target deceleration of the MS. Thus, the result of the distance measurement can be reproduced to 11.5 m without inclusion of the dynamic errors if _a = 13 MHz.

Vorteile des Verfahrens zur Bestimmung, ob sich ein mobiles GSM-Endgerät wiederholt an einem bestimmten Ort aufhält, sind
Advantages of the method for determining whether a mobile GSM terminal is repeatedly at a specific location are

1. the usual transit time measurement between mobile stations and Base stations is used to determine the distance from the Mobile station and the base station used,
2. The usual runtime measurement is based on time intervals - which are smaller than a bit period - higher resolution, to a higher accuracy in the distance determination to reach,
3. The higher resolution of the time intervals is at the Base station made,
4. Modifications to the mobile station are not necessary,
5. Systematic mistakes made by the repeated Distance evaluation are eliminated,
6. Any number of base stations can Distance measurements are used
7. The distance measurements from several base stations used for a location.

Method according to the invention for localizing a MS by the mobile network operator

Nachdem die BS, wie bereits weiter oben geschildert, den Parameter TA bestimmt und zur Ms gesendet hat, wird die Zeitpanne zwischen Sende- und Empfangsdaten mit einer Abtastfrequenz _a bestimmt, die größer als _b ist. Die Differenz dieser Zeitspanne zu den vorgeschriebenen drei Zeitschlitzen ist der Parameter Δt.After the BS, as already described above, has determined the parameter TA and sent it to the Ms, the time period between send and receive data is determined with a sampling frequency _a which is greater than _b . The difference between this time period and the prescribed three time slots is the parameter Δt.

N = Δt._a N = Δt. _a

Bei einer Abtastfrequenz _a von z. B. 13 MHz ergeben sich Abstandsstufen zwischen MS und BS von d' = 11,5 m.At a sampling frequency _a of z. B. 13 MHz there are distance steps between MS and BS of d '= 11.5 m.

D' = TA.d - q + N.d' = D + N.d'D '= TA.d - q + N.d' = D + N.d '

Die Toleranz von ±554 m ist von der MS her bedingt.The tolerance of ± 554 m is due to the MS.

Folgende Voraussetzungen müssen erfüllt sein:
Die Abweichung q der Sollverzögerung zwischen Empfangs- und Sendesignal einer MS muß für diese MS bekannt und konstant sein. The following requirements must be met:
The deviation q of the target delay between the received and transmitted signal of an MS must be known and constant for this MS.

Da q bekannt und konstant ist, besteht die Möglichkeit den Abstand D in Stufen von 554 m zu bestimmen.Since q is known and constant, there is a possibility that Determine distance D in steps of 554 m.

Unter Verwendung der bereits erläuterten Gleichung ergibt sich der Wert D' des Abstandes zwischen MS und BS:
Using the equation already explained, the value D 'of the distance between MS and BS results:

D' = N.d' + TA.d - q
D '= Nd' + TA.d - q

mit q Konstanter und bekannter Fehler der Sollverzögerung der
with q constant and known error of the target deceleration of the

mit _a = 13 MHz Abtastfrequenzwith _a = 13 MHz sampling frequency

Somit hat die Abstandsmessung ohne Einbeziehung der dynamischen Fehler eine Genauigkeit von 11,5 m, wenn _a beispielsweise 13 MHz beträgt.Thus, the distance measurement without the dynamic errors has an accuracy of 11.5 m if _a is 13 MHz _, for example.

Claims

Method for determining the coordinates of the geographic location of a mobile GSM terminal (MS) by using the signal delays dependent on the distance of the terminal from the base station in order to derive from the determined signal delays for at least two base stations adjacent to the terminal for at least three radiators To determine distance radii with the associated tolerances and their common intersection area as the geographic location of the terminal, characterized in that
that the mobile station begins to gradually delay the signal packets transmitted to a first base station, these steps corresponding to a fraction of the timing advance signal time increment and thus an apparent increase in the distance to the base station,
that the base station outputs the value of the timing advantage signal incrementally to the mobile station when a certain delay time occurs - as was previously the case when the distance between base station and mobile station is actually increased,
that the distance to the base station is calculated in the mobile station from the number of delay steps and the value of the timing advantage signal,
that the mobile station carries out this method with at least one further base station, and
that the mobile station itself or the mobile station uses a provider to determine the intersection area and thus the location of the mobile station from the determined distances.